ПЛЕНОЧНЫЙ ХОЛОДНЫЙ КАТОД Советский патент 1994 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах, в электронно-лучевых трубках, электронных микроскопах.

Известен ненакаливаемый катод, выполненный в виде слоистой структуры металл-диэлектрик-металл, в котором нижний электрод представляет собой нанесенную на диэлектрическую подложку металлическую пленку, на поверхность которой нанесен тонкий слой диэлектрика, а верхний электрод представляет собой сетку из медных проволочек. Катод эмиттирует электроны через отверстия в сетке под воздействием сильного поля, созданного в диэлектрике приложенной разностью потенциалов между сеткой (положительный потенциал) и нижней металлической пленкой.

Описан ненакаливаемый катод также тонкопленочной слоистой структуры, у которого верхний электрод представляет собой сплошную металлическую пленку. Благодаря верхнему электроду в диэлектрике создается более равномерное (по сравнению с описанной ранее конструкцией) поле. Такой катод работает следующим образом. При приложении положительного потенциала к верхнему пленочному электроду определенной величины, создающей напряженность поля в диэлектрике порядка 10⁵-10⁷ В/см, из нижнего базового электрода в диэлектрик инжектируются электроны, которые разогреваются полем в диэлектрике. Если верхний электрод достаточно тонкий, порядка 100-500 , он становится "прозрачным" для электронов и часть электронов способна выйти в вакуум через верхний тонкопленочный электрод. Оставшаяся часть носителей заряда, обычно большая, чем эмиттированная в вакуум, рассеивается в верхнем электроде и составляет так называемый сквозной ток ненакаливаемого катода. Протекая по верхнему тонкопленочному электроду, сквозной ток создает падение напряжения на этом электроде (происходит самосмещение потенциала по поверхности верхнего электрода), что приводит к низкой эффективности (малому значению отношения тока эмиссии к сквозному току) катода. Падение напряжения по поверхности верхнего электрода может также вызвать выход из строя катода, у которого появляется на вольт-амперной характеристике сквозного тока отрицательное дифференциальное сопротивление в связи с существенным возрастанием сквозного тока.

Известен также слоистый тонкопленочный катод, в котором верхний электрод представляет собой тонкопленочный полупрозрачный металлический электрод.

Конструкция данного катода выбрана в качестве прототипа. Наличие сравнительно толстой сетки на тонкопленочном верхнем электроде позволяет снизить падение напряжения по поверхности верхнего электрода.

Однако такой катод имеет низкую эффективность работы, обусловленную тем, что в местах под витками сетки имеется лишь сквозной ток и нет тока эмиссии, так как верхний электрод в этих местах непрозрачен для электронов. Кроме того, рассеивание дополнительной неполезной мощности на катоде приводит к ее перегреву, что снижает надежность его работы.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности катода.

Поставленная цель достигается тем, что в диэлектрическом слое в рабочей части катода выполнено множество углублений, а верхний металлический электрод имеет утолщение в местах между углублениями, причем толщина диэлектрического слоя в углублениях выбрана меньшей толщины диэлектрического слоя между ними по крайней мере в три раза.

На фиг.1 схематично изображен катод; на фиг.2 - рабочая часть катода.

На металлическую подложку 1, являющуюся нижним электродом, нанесен диэлектрический слой 2, в котором выполнены углубления 3 в рабочей части катода, ограниченной нанесенным толстым слоем 4 диэлектрика. На диэлектрический слой 2 нанесен металлический слой 5, служащий верхним электродом, который имеет утолщения 6 в местах между углублениями 3 в диэлектрическом слое 2 и на ограничивающем рабочую часть катода толстом диэлектрическом слое 4.

Катод работает следующим образом. При приложении разности потенциалов между нижним и верхним электродами в диэлектрическом слое 2 создается электрическое поле. Напряженность электрического поля в местах углублений 3 достигает 10⁶-10⁷ В/см и достаточна для вызывания сквозных и эмиссионных токов в местах между углублениями при той же разности потенциалов, в связи с утолщением диэлектрического слоя сквозные токи значительно ниже. Поскольку, как известно из экспериментальных данных, сквозной ток зависит от толщины диэлектрика d как , то утолщение диэлектрика в три раза вызывает уменьшение сквозного тока примерно на один порядок. Утолщение верхнего электрода в местах между углублениями дополнительно обеспечивает рассеяние мощности и тем самым повышается долговечность катода и его надежность.

Размеры углублений выбираются такими, чтобы при минимальной толщине верхнего электрода в области углублений падение напряжения на верхнем электроде за счет сквозного тока было минимальным.

Таким образом, предлагаемая конструкция катода обеспечивает более высокую эффективность и равномерное распределение прикладываемого рабочего напряжения, повышает надежность работы катода.

В настоящее время разработан катод с толщиной диэлектрика в местах углублений 70-150 , в остальной части 250-550 , толщиной верхнего электрода в углублениях 100 , а между ними 1000-10000 , диаметр углублений 5-10 мкм, расстояние между ними 50 мкм. Эффективность катодов предлагаемой конструкции на порядок выше.

Для более эффективного использования рабочей части катода размеры утолщенной части диэлектрического слоя могут быть соизмеримы или меньше размеров углублений.

ПЛЕНОЧНЫЙ ХОЛОДНЫЙ КАТОД, включающий рабочую область, состоящую из последовательно размещенных слоев металла, диэлектрика и верхнего прозрачного для электронов тонкого металлического слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности катода, в диэлектрическом слое рабочей части катода выполнено множество углублений, а верхний металлический слой имеет утолщение в местах между углублениями, причем толщина диэлектрического слоя в углублениях выбрана меньшей толщины диэлектрического слоя между ними по крайней мере в три раза.